Galvanische Elemente

Galvanische Elemente
Galvanische Elemente, benannt nach dem italienischen Mediziner LUIGI GALVANI, sind elektrochemische Spannungsquellen, in denen chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird (Bild 1). Entwickelt wurden die ersten Formen dieser elektrischen Quellen von dem italienischen Physiker ALESSANDRO VOLTA (1745-1827).

Ein einfaches galvanisches Element besteht aus einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (Elektrolyt) und zwei verschiedenen Stoffen. Zwischen den beiden verschiedenen Stoffen besteht eine elektrische Spannung. Bei einem geschlossenen Stromkreis fließt ein elektrischer Strom (Bild 2).
Die entstehende Spannung ist von den verwendeten Stoffen abhängig. In der Physik ist es üblich, die Stoffe in einer so genannten elektrochemischen Spannungsreihe anzuordnen. Die Spannung zwischen zwei Stoffen ist umso größer, je weiter die Stoffe in dieser Reihe voneinander entfernt stehen. In der nachfolgenden Übersicht sind einige Stoffe genannt.

positiv
Pl	1,6 V
Au	1,4 V
Hg	0,9 V
Ag	0,8 V
C	0,7 V
Cu	0,3 V
0
H	0 V
negativ
Pb	-0,1 V
Fe	-0,4 V
Zn	-0,8 V
Al	-1,7 V
Na	-2,7 V
K	-2,9 V

So besteht z.B. zwischen Kupfer und Zink eine Spannung von 1,1 V, zwischen Kupfer und Blei von 0,4 V, zwischen Quecksilber und Kohlenstoff von 0,2 V.
Durch chemische Veränderung der Stoffe ist bei einem geschlossenen Stromkreis die Spannung in der Regel geringer als die, die sich aus der Spannungsreihe ergibt. Theoretisch sind somit eine Vielzahl von Kombinationen möglich. Von praktischer Bedeutung sind aber nur wenige Varianten.

ALESSANDRO VOLTA verwendete eine Kombination von Kupfer und Zink und erhielt damit bei einem einzelnen Element eine Spannung von 0,89 V. Durch Hintereinanderschalten gelang es ihm, größere Spannungen zu erzeugen. Eine solche Anordnung wird als voltasche Säule bezeichnet.

Am weitesten ist heute noch das Leclanché-Element verbreitet, benannt nach dem französischen Chemiker GEORGES LECLANCHÉ (1839-1882). Als Stoffe werden Zink und Kohlenstoff verwendet, als Elektrolyt meist eine eingedickte Kaliumlauge (Bild 3). Das Element liefert eine Spannung von 1,5 V. Diese Spannung ist nicht von der Größe der Elektroden abhängig, wohl aber die Stromstärke und damit die elektrische Leistung. Schaltet man drei dieser Elemente hintereinander, so erhält man eine Flachbatterie mit einer Spannung von 4,5 V. Etwas leistungsfähiger sind Alkali-Mangan-Elemente.

Als Knopfzellen zur Stromversorgung von Taschenrechnern, Armbanduhren oder Fotoapparaten verwendet man heute meist Zink-Quecksilberoxid-Elemente oder Silberoxid-Zink-Elemente mit Kalilauge als Elektrolyten.
Lithium-Elemente werden z. B. bei Herzschrittmachern verwendet.

Bei allen galvanischen Elementen erfolgt mit Stromfluss eine chemische Veränderung der Elektroden. Sie werden regelrecht "verbraucht". Dadurch verringert sich allmählich die Spannung des Elements. Es hat nur eine begrenzte Lebensdauer und kann im Unterschied zu Akkumulatoren nicht wieder aufgeladen werden.